Transglutaminases do mosquito Anopheles gambiae: Caracterização genética, bioquímica e funcional durante a infecção por Plasmodium berghei

A malária constitui um problema de saúde pública, que tem vindo a agravar-se, sendo crescente a necessidade de estratégias renovadas para o seu controlo, como a interrupção do ciclo esporogónico. Deste modo, é essencial compreender as respostas imunológicas de Anopheles anti-Plasmodium. Demonstrou-se anteriormente, que a inibição de transglutaminases, enzimas que participam em vários processos biológicos ao catalisarem a formação de ligações covalentes entre péptidos, agrava a infecção em mosquitos pelo parasita. O presente trabalho tem por objectivo caracterizar as transglutaminases AGAP009098 e AGAP009100 de Anopheles gambiae. Os métodos utilizados para este efeito foram: a sequenciação de regiões dos genes AGAP009098 e AGAP009100; a clonagem molecular de fragmentos da região codificante do gene AGAP009098, usando o vector plasmídico pET–28a(+) e Escherichia coli como sistema de expressão; e PCR em Tempo Real para analisar a expressão relativa dos genes AGAP009098 e AGAP009100 nos diferentes os estádios de desenvolvimento. AGAP009098 é expressa ubiquamente e AGAP009100 a partir do estádio pupa. Estes resultados apontam para a conclusão de que AGAP009098 e AGAP009100 poderão desempenhar funções em processos biológicos relevantes, por exemplo na defesa imunitária, ou no desenvolvimento. Os péptidos recombinantes, obtidos a partir da clonagem com sucesso de fragmentos da região codificante do gene AGAP009098, constituem uma ferramenta importante para averiguar a função destas TGases, no futuro.

Mitosis and protein Na-terminal acetylation

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Developmental Biology

Case for Diagnosis

A 27 year-old-man, with no known personal or familial history of disease, mentioned a 10-year history of asymptomatic groups of telangiectasias, with a Blaschko lines distribution on the right lateral aspect of the neck and asymptomatic. He denied any episodes of disease or drug intake that could be associated with the disease. Blood work had no changes, namely of liver enzymes or infectious serologies. The clinical diagnosis of Idiopathic Acquired Unilateral Nevoid Telangiectasia was made, an uncommon, benign vascular malformation. The patient declined doing a cutaneous biopsy or treatment with a cosmetic intent.

Structure-function relationships in a glycosyltransferase, a phosphatase and an oxidoreductase

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biochemistry

Artefacts induced on c-type haem proteins by electrode surfaces

J Biol Inorg Chem (2011) 16:209–215 DOI 10.1007/s00775-010-0717-z

O2/CO2-sensitive cyclic AMP-signalling pathway in peripheral chemoreceptors

RESUMO: O corpo carotídeo (CB) é um pequeno órgão sensível a variações na PaO2, PaCO2 e pH. As células tipo I (células glómicas) do corpo carotídeo, as unidades sensoriais deste órgão, libertam neurotransmissores em resposta às variações dos gases arteriais. Estes neurotransmissores atuam quer em recetores pré-sinápticos, localizados nas células tipo I, quer em recetores póssinápticos, localizados nas terminações do nervo do seio carotídeo, ou em ambos. A activação dos recetores pré-sinápticos modula a atividade do corpo carotídeo, enquanto que, a activação dos recetores pós-sinápticos, de carater excitatório, desencadeia um aumento da frequência de descarga das fibras do CSN, com subsequente despolarização dos neurónios do gânglio petroso, e posterior despolarização de um grupo específico de neurónios do centro respiratório central, desencadeando, como resposta final, hiperventilação. Estes recetores pré- e pós-sinápticos podem ser classificados em ionotrópicos ou metabotrópicos, estando os últimos acoplados a adenilatos ciclases transmembranares (tmAC). O mecanismo exato pelo qual as variações dos gases arteriais são detetadas pelo CB não se encontra ainda completamente elucidado, mas tem sido sugerido que alterações nos níveis de cAMP estejam associadas ao mecanismo de deteção de variações de O2 e CO2. Os níveis de cAMP podem ser regulados através da sua via de síntese, mediada por dois tipos de adenilatos ciclases: tmAC sensível aos eurotransmissores e adenilato ciclase solúvel (sAC)sensível a variações de HCO3/CO2, e pela sua via de degradação mediada por fosfodiesterases. A via de degradação do cAMP pode ser manipulada farmacologicamente, funcionando enquanto alvo terapêutico para o tratamento de patologias do foro respiratório (e.g. asma, hipertensão pulmonar, doença pulmonar obstructiva crónica e apneia do sono), que induzem um aumento da actividade do CB.O trabalho descrito nesta dissertação partiu da hipótese de que a actividade do CB é manipulada por fármacos, que interferem com a via de sinalização do cAMP, tendo sido nosso objectivo geral, investigar o papel do cAMP na quimiotransdução do CB de rato, e determinar se a actividade dos enzimas responsáveis pela via de sinalização do cAMP é ou não regulada por variações de O2/CO2. Assim, a relevância deste trabalho é a de estudar e identificar possíveis alvos moleculares (sAC, isoformas de tmAC e PDE) com potencial para serem usados no tratamento de patologias relacionadas com o controlo respiratório. A primeira parte do presente trabalho, centrou-se na caracterização farmacológica da PDE4 no CB e em tecidos não quimiorecetores (e.g. gânglio cervical superior e artérias carótidas), e na observação do efeito de hipóxia aguda na acumulação dos níveis de cAMP, induzidos pelos inibidores de PDE, nestes tecidos. A quantificação de cAMP foi efectuada por técnica imunoenzimática (EIA), tendo sido elaboradas curvas de dose-resposta para os efeitos de inibidores, não específicos (IBMX) e específicos para a PDE2 e PDE4 (EHNA, Rolipram e Ro 20-1724), nos níveis de cAMP acumulados, em situações de normóxia (20%O2/5%CO2) e hipóxia (5%O2/5%CO2). A caracterização das PDE no gânglio cervical superior foi aprofundada, utilizando-se a técnica de transferência de energia de ressonância por fluorescência (FRET) em culturas primárias de neurónios, na presença de inibidores não específicos (IBMX) e específicos para a PDE3 e PDE4 (milrinone e rolipram, respetivamente). Foram igualmente estudadas, através de RT-qPCR, as alterações na expressão de PDE3A-B e PDE4A-D, no gânglio cervical superior, em resposta a diferentes percentagens de oxigénio. Na segunda parte do trabalho investigou-se a via de síntese do cAMP no CB em resposta a variações na concentração de HCO3/CO2. Em concreto, o protocolo experimental centrou-se na caracterização da sAC, dado que a sua actividade é regulada por variações de HCO3/CO2. A caracterização da expressão e regulação da sAC, em resposta a variações de HCO3/CO2 ,foi efectuada no CB e em tecidos não quimioreceptores periféricos (e.g. gânglio cervical superior, petroso e nodoso) por qRT-PCR. A actividade deste enzima foi caracterizada indirectamente através da quantificação dos níveis de cAMP (quantificação por EIA), induzidos por diferentes concentrações de HCO3/CO2, na presença de MDL-12,33-A, um inibidore da tmAC. A expressão das isoformas da tmAC no CB e gânglio petroso foi determinada por RT-qPCR. Adicionalmente, estudámos a contribuição relativa da tmAC e sAC no mecanismo de sensibilidade ao CO2 no CB. Para o efeito foram estudadas as alterações: 1) nos níveis de cAMP (quantificado por EIA) na presença de diferentes concentrações de HCO3/CO2 e ao longo do tempo (5-30 min); 2) na ativação da proteína cinase A (PKA, FRET baseado em sensores) em células tipo I do CB; e 3) na frequência de descarga do CSN (registos) na presença e ausência de ativadores e inibidores da sAC,tmAC e PKA. Por último, foi caracterizada a expressão e actividade da sAC nos quimioreceptors centrais (locus ceruleus, rafe e medula ventro-lateral) através de técnicas de RT-qPCR e EIA. A expressão das isoformas da tmAC foi aprofundada no locus coeruleus através de RT-qPCR. Por fim, comparámos a contribuição da tmAC e sAC nos níveis de cAMP no locus coeruleus em condições de normocapnia e hipercapnia.O nosso trabalho teve os seguintes resultados principais: 1) PDE4 está funcional no corpo carotídeo, artérias carótidas e gânglio cervical superior de rato, embora a PDE2 só se encontre funcional neste último; 2) Os efeitos dos inibidores de PDE nos níveis de acumulação de cAMP foram exacerbados em situações de hipóxia aguda no CB e artérias carótidas, mas foram atenuados no gânglio cervical superior; 3) No gânglio cervical superior, diferentes tipos de células apresentaram uma caracterização específica de PDEs, sugerindo uma subpopulação de células neste gânglio com funções fisiológicas distintas; 4) Embora todas as isoformas de PDE4 e PDE3 estivessem presentes no gânglio, a PDE3a, PDE4b e a PDE4d foram as isoformas mais expressas. Por outro lado, incubações de gânglio cervical superior, em diferentes percentagens de oxigénio, não alteraram (não regularam) significativamente a expressão das diferentes isoformas de PDE neste órgão; 5) a sAC encontra-se expressa e funcional no CB e nos quimiorecetores centrais estudados (locus coeruleus, rafe e medula ventrolateral). A sAC apresenta maior expressão no CB comparativamente aos restantes orgãos estudados, exceptuando os testículos, orgão controlo. Variações de HCO3/CO2 de 0/0 para 24/5 aumentaram os níveis de cAMP no CB e quimiorecetores centrais, tendo sido o aumento mais significativo observado no CB. Concentrações acima dos 24mM HCO3/5%CO2 não induziram alterações nos níveis de cAMP, sugerindo que a actividade da sAC se encontra saturada em condições fisiológicas (normocapnia) e que este enzima não desempenha qualquer papel na deteção de situações de hipercapnia; 6) No CB, a expressão das isoformas tmAC1, tmAC4, tmAC6 e tmAC9 é mais elevada comparativamente à expressão da sAC; 7) Utilizamos diferentes inibidores da tmAC (MDL 12-330A, 500μM, 2’5’-ddADO, 30-300μM, SQ 22536, 200μM) e da sAC (KH7, 10-100μM) para estudar a contribuição relativa destes enzimas na acumulação do cAMP no CB. Tanto a tmAC como a sAC contribuem para a acumulação dos níveis de cAMP em condições de hipercapnia. Contudo, existe um maior efeito destes inibidores nas condições de 12 mM HCO3/2.5%CO2 do que em condições de normocapnia e hipercapnia, sugerindo um papel relevante destes enzimas na atividade do CB em situações de hipocapnia; 8) Não se observaram variações nos níveis de cAMP em resposta a diferentes concentrações de HCO3/CO2 ao longo do tempo (5-30 min). O efeito inibitório induzido por ddADO e KH7 foi sobreponível após 5 ou 30 minutos de incubação em todas as concentrações de HCO3/CO2 estudadas; 9) Por último, verificou-se um aumento na frequência da descarga do nervo do seio carotídeo entre as condições de normocapnia e hipercapnia acídica. Ao contrário do KH7 (10μM), o 2’5’-ddADO reduziu significativamente a frequência de descarga do nervo, quer em condições de normocapnia quer de hipercapnia acídica. Contudo, não se verificou aumento na frequência de descarga do nervo entre normocapnia e hipercapnia isohídrica, sugerindo que a sensibilidade à hipercapnia no CB é mediada por variações de pH. Em conclusão, os resultados decorrentes deste trabalho permitiram demonstrar que, embora os enzimas que medeiam a via de sinalização do cAMP possam ser bons alvos terapêuticos em condições particulares, a sua actividade não é específica para o CB. Os resultados sugerem ainda que o cAMP não é um mediador específico da transdução à hipercapnia neste orgão. Contudo, os nossos resultados demonstraram que os níveis de cAMP são mais elevados em condições fisiológicas, o que sugere que o cAMP possa ter uma função homeostática neste orgão. Por último, o presente trabalho demonstrou que os aumentos de cAMP descritos por outros em condições de hipercapnia, não são observáveis quando o pH se encontra controlado. ------------------ ABSTRACT: The work presented in this dissertation was aimed to establish how specific is cAMP-signaling pathways in the CB mainly in different CO2 conditions and how O2 concentrations alter/drives the manipulation of cAMP signaling in the CB. The experimental studies included in this thesis sought to investigate the role of cAMP in the rat CB chemotransduction mechanisms and to determine whether the enzymes that participate in cAMP signal transduction in the CB are regulated by O2/CO2. We characterized the enzymes involved in the cAMP-signaling pathway in the CB (sAC, tmAC, PDE) under different O2/CO2 conditions. Our results demonstrated that many of these enzymes are involved in CO2/O2 sensing and while they may be useful in treating conditions with alterations in CO2/O2 sensing,they will not be specific to chemoreception within the CB: 1) PDE4 is ubiquitously expressed in CB and non-chemoreceptor related tissues and their affinity to inhibitors change with O2 tensions in both CB and carotid arteries, and 2) sAC and tmAC are expressed in peripheral and central chemo- and non-chemoreceptor tissues and their effect on cAMP levels do not change between normocapnic and isohydric hypercapnic conditions. Our results provide evidence against a specific role of cAMP as a mediator for O2 and CO2 chemotransduction in the rat CB and emphasized the role of pH in CO2 sensitivity of the CB. Furthermore, our results demonstrate that cAMP levels are maintained higher under physiological conditions, supporting recent finding from our lab, which all together suggests that cAMP has a homeostatic function in this organ.

Clinical update on scorpion envenoming

Abstract: Scorpion stings are currently the leading cause of venom-related injury to humans in Brazil and are a significant public health problem globally. Only scorpions of the Tityus genus are of medical importance in Brazil, and Tityus serrulatus is responsible for the most serious envenomations and deaths. The toxic effects of scorpion envenomation are due to a massive release of sympathetic and parasympathetic neurotransmitters; the severity is related to cardiac and hemodynamic changes, with cardiogenic shock and pulmonary edema contributing to the main causes of death. The pathophysiology of cardiac involvement has been discussed for decades and has been attributed to adrenergic discharge and a possible toxic effect of venom on the myocardium, while acute pulmonary edema may have a cardiogenic and/or non-cardiogenic origin. Currently, the clinical data point to catecholamine excess as the cause for reversible scorpion cardiomyopathy . These data include electrocardiographic changes, profiling of cardiac enzymes and troponin I, echocardiographic data with global or regional left ventricle dysfunction, and myocardial perfusion alterations compatible with spasm in the coronary microcirculation. Furthermore, recent data on cardiac magnetic resonance imaging findings, which are similar to those observed for stress-induced cardiomyopathy, have also been linked to catecholamine excess. The efficiency of antivenom serum treatment is controversial in the literature. Our experience in Brazil is that the management of patients with systemic manifestations of scorpion stings is based on three approaches, all of which are extremely important. These include symptomatic treatment, antivenom serum, and cardiorespiratory support.

Thermal technologies in food processing

[Excerpt] Introduction: Thermal processing is probably the most important process in food industry that has been used since prehistoric times, when it was discovered that heat enhanced the palatability and the life of the heat-treated food. Thermal processing comprehends the heating of foods at a defined temperature for a certain length of time. However, in some foods, the high thermotolerance of certain enzymes and microorganisms, their physical properties (e.g.,highviscosity),ortheircomponents(e.g.,solidfractions) require the application of extreme heat treatments that not only are energy intensive, but also will adversely affect the nutritional and organoleptic properties of the food. Technologies such as ohmic heating, dielectric heating (which includes microwave heating and radiofrequency heating), inductive heating, and infrared heating are available to replace, or complement, the traditional heat-dependent technologies (heating through superheated steam, hot air, hot water, or other hot liquid, being the heating achieved either through direct contact with those agents – mostly superheated steam – or through contact with a hot surface which is in turn heated by such agents). Given that the “traditional” heatdependent technologies are thoroughly described in the literature, this text will be mainly devoted to the so-called “novel” thermal technologies. (...)

Synthetic biology approaches to shape bacteriophages towards Pseudomonas aeruginosa biofilm control

Dissertation for Ph.D. degree in Biomedical Engineering.

Peroxisomal beta-oxidation--a metabolic pathway with multiple functions.

Fatty acid degradation in most organisms occurs primarily via the beta-oxidation cycle. In mammals, beta-oxidation occurs in both mitochondria and peroxisomes, whereas plants and most fungi harbor the beta-oxidation cycle only in the peroxisomes. Although several of the enzymes participating in this pathway in both organelles are similar, some distinct physiological roles have been uncovered. Recent advances in the structural elucidation of numerous mammalian and yeast enzymes involved in beta-oxidation have shed light on the basis of the substrate specificity for several of them. Of particular interest is the structural organization and function of the type 1 and 2 multifunctional enzyme (MFE-1 and MFE-2), two enzymes evolutionarily distant yet catalyzing the same overall enzymatic reactions but via opposite stereochemistry. New data on the physiological roles of the various enzymes participating in beta-oxidation have been gathered through the analysis of knockout mutants in plants, yeast and animals, as well as by the use of polyhydroxyalkanoate synthesis from beta-oxidation intermediates as a tool to study carbon flux through the pathway. In plants, both forward and reverse genetics performed on the model plant Arabidopsis thaliana have revealed novel roles for beta-oxidation in the germination process that is independent of the generation of carbohydrates for growth, as well as in embryo and flower development, and the generation of the phytohormone indole-3-acetic acid and the signal molecule jasmonic acid.

Estudis estructurals dels canvis conformacionals de les E3 ubiquitin lligases per RMN

L'estudi a nivell molecular de la ruta de senyalització activada per TGF-B té un impacte notable en el panorama actual donada la seva implicació en processos autoimmunitaris i carcinogènics. D'altra banda, l'elucidació a nivell estructural dels mecanismes moleculars que permeten a les ubiquitin lligases de tipus E3 marcar específicament llurs dianes per a la degradació proteosòmica - entre d'altres - resulta fonamental donada la seva importància pel que fa al control sobre el turnover proteic a nivell intracel•lular. En aquest projecte es pretén elucidar els mecanismes d'activació i catlàlisi de les ubiquitin lligases E3 tipus HECT Smurf1 i Nedd4L al mateix temps que se n'estudia la implicació en la regulació dels agents missatgers de la ruta del TGF-B. Així, la tasca es divideix en tres sub-projectes els quals se centren en a) l'estudi de la interacció d'aquestes lligases amb llurs dianes; b) l'elucidació del mecanisme d'activació i c) del de catàlisi d'aquests enzims. Per tal d'assolir aquests objectius ens servim principalment dels avantatges que ens aporta la Ressonància Magnètica Nuclear i altres tècniques biofísiques, principalment la ITC. Durant el temps que he gaudit de la beca FI, m'he centrat principalment en la preparació de pèptids per SPPS, llur purificació per HPLC i caracterització per MS i RMN. Aquests pèptids representen diferents patrons de fosforilació de certes dianes de les lligases esmentades, de manera que han estat emprats per a l'estudi d'interaccions proteïna-proteïna per ITC i RMN. M'he iniciat doncs en l'ús d'aquestes tècniques. D'altra banda, també he preparat mostres protèiques mitjançant l'ús de sistemes d'expressió bacterians basats en E.coli, incloent l'amplificació i clonació del gen que codifica per la proteïna d'interés així com la seva expressió, purificació i caracterització per MS i RMN.

Gene expression profiling in the human pathogenic dermatophyte Trichophyton rubrum during growth on proteins.

Dermatophytes are highly specialized filamentous fungi which cause the majority of superficial mycoses in humans and animals. The high secreted proteolytic activity of these microorganisms during growth on proteins is assumed to be linked to their particular ability to exclusively infect keratinized host structures such as the skin stratum corneum, hair, and nails. Individual secreted dermatophyte proteases were recently described and linked with the in vitro digestion of keratin. However, the overall adaptation and transcriptional response of dermatophytes during protein degradation are largely unknown. To address this question, we constructed a cDNA microarray for the human pathogenic dermatophyte Trichophyton rubrum that was based on transcripts of the fungus grown on proteins. Profiles of gene expression during the growth of T. rubrum on soy and keratin protein displayed the activation of a large set of genes that encode secreted endo- and exoproteases. In addition, other specifically induced factors potentially implicated in protein utilization were identified, including heat shock proteins, transporters, metabolic enzymes, transcription factors, and hypothetical proteins with unknown functions. Of particular interest is the strong upregulation of key enzymes of the glyoxylate cycle in T. rubrum during growth on soy and keratin, namely, isocitrate lyase and malate synthase. This broad-scale transcriptional analysis of dermatophytes during growth on proteins reveals new putative pathogenicity-related host adaptation mechanisms of these human pathogenic fungi.

Mice carrying ubiquitin-specific protease 2 (Usp2) gene inactivation maintain normal sodium balance and blood pressure.

Ubiquitylation plays an important role in the control of Na⁺ homeostasis by the kidney. It is well established that the epithelial Na⁺ channel ENaC is regulated by the ubiquitin-protein ligase NEDD4-2, limiting ENaC cell surface expression and activity. Ubiquitylation can be reversed by the action of deubiquitylating enzymes (DUBs). One such DUB, USP2-45, was identified previously as an aldosterone-induced protein in the kidney and is also a circadian output gene. In heterologous expression systems, USP2-45 binds to ENaC, deubiquitylates it, and enhances channel density and activity at the cell surface. Because the role of USP2-45 in renal Na⁺ transport had not been studied in vivo, we investigated here the effect of Usp2 gene inactivation in this process. We demonstrate first that USP2-45 protein has a rhythmic expression with a peak at ZT12. Usp2-KO mice did not show any differences from wild-type littermates with respect to the diurnal control of Na⁺ or K⁺ urinary excretion and plasma levels either on a standard diet or after acute and chronic changes to low- and high-Na⁺ diets, respectively. Moreover, they had similar aldosterone levels on either a low- or high-Na⁺ diet. Blood pressure measurements using telemetry did not reveal variations compared with control mice. Usp2-KO mice did not display alterations in expression of genes involved in sodium homeostasis or the ubiquitin system, as evidenced by transcriptome analysis in the kidney. Our data suggest that USP2 does not play a primary role in the control of Na⁺ balance or blood pressure.

LKB1 and AMPK differentially regulate pancreatic β-cell identity.

Fully differentiated pancreatic β cells are essential for normal glucose homeostasis in mammals. Dedifferentiation of these cells has been suggested to occur in type 2 diabetes, impairing insulin production. Since chronic fuel excess ("glucotoxicity") is implicated in this process, we sought here to identify the potential roles in β-cell identity of the tumor suppressor liver kinase B1 (LKB1/STK11) and the downstream fuel-sensitive kinase, AMP-activated protein kinase (AMPK). Highly β-cell-restricted deletion of each kinase in mice, using an Ins1-controlled Cre, was therefore followed by physiological, morphometric, and massive parallel sequencing analysis. Loss of LKB1 strikingly (2.0-12-fold, E<0.01) increased the expression of subsets of hepatic (Alb, Iyd, Elovl2) and neuronal (Nptx2, Dlgap2, Cartpt, Pdyn) genes, enhancing glutamate signaling. These changes were partially recapitulated by the loss of AMPK, which also up-regulated β-cell "disallowed" genes (Slc16a1, Ldha, Mgst1, Pdgfra) 1.8- to 3.4-fold (E<0.01). Correspondingly, targeted promoters were enriched for neuronal (Zfp206; P=1.3×10(-33)) and hypoxia-regulated (HIF1; P=2.5×10(-16)) transcription factors. In summary, LKB1 and AMPK, through only partly overlapping mechanisms, maintain β-cell identity by suppressing alternate pathways leading to neuronal, hepatic, and other characteristics. Selective targeting of these enzymes may provide a new approach to maintaining β-cell function in some forms of diabetes.-Kone, M., Pullen, T. J., Sun, G., Ibberson, M., Martinez-Sanchez, A., Sayers, S., Nguyen-Tu, M.-S., Kantor, C., Swisa, A., Dor, Y., Gorman, T., Ferrer, J., Thorens, B., Reimann, F., Gribble, F., McGinty, J. A., Chen, L., French, P. M., Birzele, F., Hildebrandt, T., Uphues, I., Rutter, G. A. LKB1 and AMPK differentially regulate pancreatic β-cell identity.